ES2353972T3 - Bomba helicoidal de husillos. - Google Patents

Abstract

Bomba helicoidal de husillos en una forma constructiva de un solo flujo y de dos ejes, con dos husillos roscados (1, 2) y una carcasa de la bomba (3) que rodea los husillos roscados (1, 2) formando cámaras de impulsión (4) y que limita las cámaras de impulsión (4) exteriormente con su superficie de cubierta interior (3a), así como una cámara de aspiración (5) para el medio a aspirar y una cámara de presión (6), que aloja el medio transportado a través de los husillos roscados (1, 2), estando introducida la carcasa de la bomba (3) en una carcasa de presión (7) y fijada a la carcasa de presión (7), con lo que la cámara de presión (6) rodea, al menos parcialmente, la carcasa de la bomba (3), caracterizada porque ambos husillos roscados (1, 2) están apoyados con un apoyo exterior y en la cámara de presión (6) están previstos equipos separadores para separar una mezcla multifase transportada en una fase de gas y una fase de líquido y porque está prevista una tubería de cortocircuito (13) desde la cámara de presión (6) hasta la cámara de aspiración (5), a través de la que se conduce de retorno el líquido separado hasta la cámara de aspiración (5).

Description

La invención se refiere a una bomba helicoidal de husillos con forma constructiva de un solo flujo y de dos ejes, con un apoyo exterior de ambos husillos roscados y una carcasa para la bomba, que envuelve los husillos roscados formando cámaras de impulsión y limitando exteriormente las cámaras de impulsión con su superficie de cubierta, así como una cámara de aspiración para el medio de aspirar y una cámara de presión, que aloja el medio transportado por los husillos roscados.

Se conocen muchos conceptos de bombas helicoidales de husillos, por ejemplo una configuración de dos ejes y de dos flujos según el documento EP 0 699 276 B1, que se utiliza en particular para transportar mezclas petróleoagua-gas sin tratar, que salen de un pozo muy grande o de muchos pozos pequeños, a veces más de 500. Las bombas helicoidales de husillos de dos flujos presentan una carcasa dividida en una cámara de aspiración y una cámara de presión. Los tornillos de transporte corren entonces directamente en la carcasa o bien en una pieza insertada en la carcasa o cartucho sustituible, que se inserta en la carcasa entre la cámara de aspiración y la cámara de presión. La carcasa tiene entonces por un lado la tarea de proporcionar una suficiente resistencia a la presión para absorber la presión del proceso y por otro lado aportar la forma y solidez de posición para mantener las tolerancias de la junta de estanqueidad entre los tornillos de transporte, uno respecto a otro, y de los tornillos de transporte y la carcasa o la pieza insertada en la carcasa, necesarias para el proceso de aumento de la presión, formulando los husillos de transporte que marchan sin contacto exigencias especialmente altas a las juntas de estanqueidad, que han de tener intersticios lo más pequeños posible, para lograr un elevado rendimiento.

Las bombas helicoidales de husillos en ejecución de dos ejes y dos flujos son técnicamente muy caras, costosas de fabricar y de mantener y se utilizan por ello preferiblemente para grandes potencias de transporte, que son típicamente demasiado grandes para la extracción en pozos individuales (Single-well-boosting).

Por el documento DE 715860 B1 se conoce una bomba helicoidal para extraer líquidos que presenta un apoyo exterior por un solo lado para los tornillos de transporte. Los tornillos de transporte están envueltos por una carcasa, configurada de una sola pieza y embridada a una pieza de la carcasa, en la que están apoyados los husillos de transporte. Esta carcasa puede retirarse para trabajos de mantenimiento. Cuando ha de realizarse el mantenimiento de la bomba, es necesario separar la misma de la tubería de transporte en las tubuladuras de entrada y salida y montar una bomba completamente nueva.

Alternativamente a la sustitución de la bomba completa, puede despiezarse una bomba helicoidal de husillos en el mismo lugar y repararse, lo que cuesta mucho tiempo. Además, el montaje de la bomba partiendo de varias piezas sueltas en el cliente in situ tiene el inconveniente de que no es posible una prueba de la bomba averiguando exactamente los datos de potencia, por lo que para que se cumplan los parámetros de potencia exigidos es necesaria por lo general la sustitución completa de la bomba.

Precisamente en la extracción de un solo pozo resultan fuertes variaciones de la composición del medio a transportar. En gran medida y de forma imprevisible se alternan estados de una extracción de un 100% de líquido con fases de extracción de un 100% de gas, siendo las fases de extracción de un 100% de gas especialmente críticas para las bombas helicoidales de husillos, ya que en las bombas helicoidales de husillos tradicionales, tras un cierto tiempo de extraer gas, se acarrea el líquido de

estanqueidad, refrigeración y lubrificación. Este estado origina un calentamiento de los tornillos de transporte, lo que implica un contacto de los tornillos de transporte entre sí y con la carcasa de impulsión, lo que da lugar a un mayor desgaste y dado el caso a la parada de la bomba. Los problemas que ello origina en cuanto al mantenimiento in situ ya se han descrito.

El documento EP 0 405 160 A1 describe una bomba helicoidal de husillos con un husillo de accionamiento dispuesto en la cámara interior de una carcasa de la bomba y al menos un husillo de estanqueidad con su eje paralelo al anterior, así como con una entrada y una salida para un medio fluyente a transportar por los husillos.

Los husillos están rodeados por una pieza insertada en la carcasa de forma tubular, que delimita con la carcasa de la bomba que la rodea al menos una cámara anular unida mediante al menos una abertura pasante con la cámara interior que aloja los husillos.

Para la extracción a partir de pozos individuales se utilizan, además de bombas helicoidales de husillos, también bombas excéntricas de tornillos sin fin, que no obstante sólo pueden utilizarse para extraer mezclas multifase en determinadas condiciones, ya que su capacidad de transportar gas al 100% es muy limitada en el tiempo, debido al calor por rozamiento que resulta.

Al estar sobredimensionadas las bombas multifase en ejecución de dos ejes y dos flujos y al faltar bombas multifase adecuadas con potencias inferiores, no se explotan o dejan de explotarse, en todo el mundo miles de pozos de petróleo, con lo que no se aprovechan valiosas materias primas.

Por lo tanto, es tarea de la presente invención proporcionar una bomba económica de fabricar y mantener y que sea adecuada básicamente para extraer mezclas multifase para la extracción de un solo pozo.

Según la invención se resuelve esta tarea mediante una bomba helicoidal de husillos de tipo genérico con las características de la reivindicación 1. Ventajosas mejoras y perfeccionamientos de la invención se describen en las reivindicaciones subordinadas.

La bomba helicoidal de husillos correspondiente a la invención, en forma constructiva de un solo flujo y dos ejes, con un apoyo exterior de ambos husillos roscados y una carcasa de la bomba, que rodea los husillos roscados formando cámaras de impulsión y que limita exteriormente las cámaras de impulsión con su envoltura de cubierta interior, así como con una cámara de aspiración para el medio a aspirar y una cámara de presión que aloja el medio transportado mediante los husillos roscados, prevé que la carcasa de la bomba se introduzca en una carcasa de presión y que esté fijada a la carcasa de presión, con lo que la cámara de presión rodea la carcasa de la bomba al menos parcialmente. Mediante la posibilidad de introducir la carcasa de la bomba en la carcasa de presión y la fijación de la carcasa de la bomba a la carcasa de presión, es posible sustituir solamente la carcasa de la bomba inclusive los husillos roscados allí dispuestos y el apoyo exterior, con lo que se proporciona en forma constructiva modular una bomba helicoidal de husillos que puede repararse con rapidez, dado que pueden retirarse por completo de la carcasa de presión las piezas desgastadas. Mediante una sencilla sustitución de la carcasa de la bomba con los husillos roscados allí dispuestos, se realiza además un desacoplamiento mecánico entre la carcasa de presión y la carcasa de la bomba, con lo que las deformaciones debidas a la presión dentro de la carcasa de la presión no se transmiten, o sólo inapreciablemente, a la carcasa de la bomba. De esta manera queda asegurada la exactitud de posición de los husillos roscados entre sí, ya que las deformaciones de la carcasa de presión no

repercuten en las tolerancias de los elementos de transporte, las juntas y los cojinetes. Esto reduce el desgaste y posibilita ajustar una dimensión reducida para el intersticio, lo que aumenta el rendimiento de la bomba. Para la compresión cuando se utiliza en Single-wellboosting, está previsto que en la cámara de presión se prevean equipos separadores para separar una mezcla multifase transportada en una fase de gas y una fase de líquido, con lo que las fases separadas pueden evacuarse separadamente o bien puede conducirse de retorno una parte de la fase de líquido separada a través de una tubería de cortocircuito desde la cámara de presión hasta la cámara de aspiración, para aportar una cantidad mínima de líquido dentro de la carcasa de la bomba, para que los husillos roscados puedan refrigerarse y el intersticio entre los husillos roscados, así como entre los husillos roscados y la carcasa de la bomba, puedan permanecer estancos.

Un perfeccionamiento de la invención prevé que la carcasa de la bomba atraviese la carcasa de presión, con lo que la carcasa de la bomba tiene dos puntos de apoyo o sustento en la carcasa de presión. Entonces se prevé que la carcasa de la bomba sólo esté fijada por un lado a la carcasa de presión, en particular que esté atornillada, mientras que el extremo de la carcasa de la bomba no fijado a la carcasa de presión está apoyado en una guía en la carcasa de presión.

Así es posible que la carcasa de la bomba quede fijada por un lado a la carcasa de presión y por el otro lado esté apoyada tal que pueda moverse ligeramente, con lo que el ligero juego entre la carcasa de presión y la carcasa de la bomba está impermeabilizado mediante al menos una junta, con lo que no puede salir ninguna cantidad de medio transportado de la cámara de presión a través del intersticio en la guía. El pequeño juego dentro de la guía en la carcasa de presión posibilita que debido a la presión

que reina en la cámara de presión no se presente deformación alguna dentro de la carcasa de la bomba que pueda modificar el juego entre los husillos roscados, así como entre los husillos roscados y la carcasa de la bomba, sino que la carcasa de la bomba completa esté ligeramente desplazada dentro de la carcasa de presión.

Otra ventaja adicional de la configuración correspondiente a la invención es la mayor facilidad de fabricación de la carcasa de presión debido a las inferiores exigencias a la exactitud de posición de los componentes, con lo que es posible una fabricación económica de la carcasa de presión. Además, se simplifica considerablemente el mantenimiento debido a la posibilidad de extracción completa de la carcasa de la bomba inclusive los husillos roscados y la unidad de apoyo.

Para lograr, pese a la sencilla estructura, un diseño lo más rígido posible, se prevé fijar la carcasa de la bomba mediante una placa de soporte a la carcasa de presión. En la placa de soporte están fijadas así tanto la carcasa de presión como también la carcasa de la bomba y dado el caso también la unidad de apoyo en la que están apoyados los husillos roscados separadamente del flujo de transporte. Los husillos roscados están apoyados en la unidad de apoyo, que a su vez está unida con la carcasa de la bomba, con lo que la unidad de apoyo puede retirarse por completo con la carcasa de la bomba y los husillos roscados de la carcasa de presión. Los husillos roscados, la carcasa de la bomba y la unidad de apoyo de los husillos roscados pueden así reunirse para formar un módulo de impulsión, fácilmente sustituible y que puede someterse tras la fabricación a una prueba de potencia completa, con lo que cuando se sustituye el módulo de impulsión por uno nuevo o por un módulo de impulsión repasado puede predecirse qué parámetros de potencia presenta la bomba.

Puesto que la carcasa de la bomba se encuentra dentro de la cámara de presión, es posible configurar la tubería de cortocircuito dentro de la carcasa de la bomba, es decir, establecer una unión directa entre la cámara de la bomba y la cámara de aspiración.

Mediante la tubería de cortocircuito se devuelve la fase líquida separada dosificadamente a la cámara de aspiración, lo cual ciertamente implica una reducción del rendimiento de la bomba, pero en cambio, cuando se utiliza la bomba helicoidal de husillos para bombear mezclas multifase, posibilita un tiempo de utilización bastante más largo.

La carcasa de la bomba puede estar dispuesta excéntricamente en la carcasa de presión, para por un lado facilitar la separación y el retorno de la fase líquida separada a través de una tubería de cortocircuito hacia el lado de aspiración de los husillos roscados y por otro lado no permitir que deformaciones que dependen de la presión de la carcasa de presión repercutan sobre la unidad de apoyo o los husillos roscados, o sólo lo hagan tal que generen una variación de ángulo de la unidad de apoyo opuesta a un doblado dependiente de la presión de los husillos roscados.

Complementariamente pueden estar dispuestos en la carcasa de presión tirantes de tracción para pretensar la carcasa de presión frente al apoyo de los husillos roscados, con lo que puede ajustarse una variación de ángulo de la unidad de apoyo que dependa de la presión alternativa o complementariamente al posicionado adecuado de la carcasa de la bomba en la carcasa de presión, así como elegir el espesor de la pared y/o los materiales a emplear.

Para una mayor integración funcional en el módulo de extracción, está previsto que en la carcasa de la bomba esté configurada la cámara de aspiración tal que su

dimensionado y su configuración técnica del flujo pueda adaptarse óptimamente a los tornillos de transporte.

Para simplificar la configuración de la carcasa de presión, está previsto que la carcasa de la bomba configure una parte de la pared de la cámara de presión, es decir, que la pieza insertada de la carcasa de la bomba forme una parte de la pared interior de la cámara de presión. Para ello es necesario que la carcasa de la bomba esté fijada de manera estanca a la carcasa de presión, con lo que están previstas tuberías que atraviesan o canales de flujo para el medio a transportar, a través de los que se conduce el medio transportado a la cámara de presión.

Igualmente están configurados equipos de conexión para tuberías de entrada o tuberías de salida en la carcasa de presión, con lo que la carcasa de presión no tiene que retirarse de la red de tuberías durante el mantenimiento de la bomba, evitándose así un considerable gasto en montaje, así como problemas de estanqueidad debidos al montaje y desmontaje de bombas completas de la red de tuberías.

A continuación se describirá un ejemplo de ejecución de la invención en base a la única figura, en la que se representa una bomba helicoidal de husillos en vista en sección.

En la figura se muestra una bomba helicoidal de husillos de un solo flujo con dos husillos roscados 1, 2, compuesta por ejes 10, 20 acoplados entre sí mediante ruedas dentadas y rotores 11, 12 allí fijados mediante tornillos. Los ejes 10, 20 están apoyados en una carcasa del cojinete 19 y constituyen una unidad de apoyo 9, impermeabilizada frente al medio a transportar. Los rotores 11, 12 están apoyados en una carcasa de la bomba 3, con lo que la superficie interior de la cubierta 3a de la carcasa de la bomba 3 abarca los rotores 11, 12, con lo que mediante los rotores 11, 12 que engranan uno con otro, juntamente con la superficie de la cubierta 3a, se forman

cámaras de impulsión 4, en las que se transporta el medio a transportar desde una cámara de aspiración 5 hasta una cámara de presión 6 mediante canales de unión 16. Tanto entre los rotores 11, 12 como también entre los rotores 11, 12 y la superficie de cubierta 3a, existe un juego mínimo, para mantener el coeficiente de pérdidas de la bomba lo más reducido posible.

La cámara de presión 6, configurada en este caso como cámara anular, está formada por una carcasa de presión 7, que cierra la cámara de presión 6 por el lado frontal en el perímetro exterior. El cierre interior de la cámara de presión 6 se realiza mediante la pared exterior de la carcasa de la bomba 3, ya que la carcasa de la bomba 3 penetra en la carcasa de presión 7 y con ello en la cámara de presión 6. La carcasa de la bomba 3 está fijada mediante pernos 40 a una placa de soporte 8, a la que igualmente está fijada mediante pernos 41 la unidad de apoyo 9. La placa de soporte 8 está acoplada a su vez mediante un tirante de tracción 42 con la carcasa de presión 7, con lo que la carcasa de la bomba 3 está fijada mediante los pernos 40, la placa de soporte 8 y los tirantes de tracción 42 por un lado a la carcasa de la bomba 7. La carcasa de la bomba 3 está dotada en la zona de los pernos 40 de una brida 37 con forma anular, que puede introducirse en una escotadura 27 de la carcasa de la bomba 7 correspondientemente configurada. El extremo 30 de la carcasa de la bomba 3 opuesto a la placa de soporte 8, está apoyado en una escotadura 17 de la carcasa de la bomba 7, pero no atornillado allí, sino impermeabilizado mediante una junta 27. Frontalmente se logra una estanqueidad adicional mediante una placa frontal 15, que presenta una abertura pasante 25 para introducir un medio a transportar en la cámara de aspiración 5. Igualmente están previstos roscados 26 para alojar medios de conexión o tuberías de entrada en la placa frontal 15.

El apoyo por un solo lado de la carcasa de la bomba 3 en la carcasa de presión 7 tiene la ventaja de que la combinación modular de la carcasa de la bomba 3, la unidad de apoyo 9 y los husillos de transporte 1, 2 dispuestos en su interior, está desacoplada de deformaciones por presión de la carcasa de presión 7. La carcasa de presión 7 puede estar diseñada en cada caso para la presión de diseño del sistema y básicamente estar configurada con cualquier tamaño, debiendo solamente estar configuradas las escotaduras 17, 27 y los equipos de conexión tal que puedan montarse las correspondientes unidades de impulsión o módulos de impulsión compuestos por la carcasa de la bomba 3 y la unidad de apoyo 9. Al alojar la unidad de impulsión en la carcasa de presión 7, queda terminada la bomba, configurando la carcasa de la bomba 3 integrada en la unidad de impulsión a la vez la cámara de aspiración 5 y ocupándose de la separación entre la cámara de aspiración 5 y la cámara de presión 6.

En la carcasa de presión 7 están previstas además bridas 14 para las tuberías de salida, que pueden quedar fijamente instaladas.

En la cámara de presión 6 pueden estar previstos equipos separadores para separar la fase gaseosa y la fase líquida en el transporte de mezclas multifase. Los mismos pueden ser chapas de desviación o zonas de calma para generar una velocidad de flujo próxima a cero, estando prevista en tales puntos preferiblemente una tubería de cortocircuito 13, que une la cámara de aspiración 5 con la cámara de presión 6. En la forma de ejecución representada está configurada la tubería de cortocircuito 13 en la carcasa de la bomba 3 y dispuesta en la cara inferior, con lo que el líquido que se encuentra en la parte inferior de la cámara de presión 6 con forma anular, que está llena hasta la carcasa de la bomba 3, es aspirado hasta la cámara de aspiración 5 y allí puede moverse a través de los

rotores 11, 12. De esta manera se genera un transporte del calor, una estanqueidad y una lubrificación de los rotores 11, 12. La forma de ejecución representada es especialmente adecuada para garantizar un funcionamiento seguro de la

5 bomba, incluso para presiones en la cabecera del pozo de perforación muy diferentes, que pueden ascender desde presiones casi atmosféricas hasta más de 100 bar.

En la abertura de entrada 25 o delante de ella pueden integrarse filtros de protección de la bomba o estar 10 dispuestos allí, para retener partículas indeseadas y

evitar daños en los rotores 11, 12.

15

20

25

30

Claims (13)

13

1. Bomba helicoidal de husillos en una forma constructiva de un solo flujo y de dos ejes, con dos husillos roscados (1, 2) y una carcasa de la bomba (3) que rodea los husillos roscados (1, 2) formando cámaras de impulsión (4) y que limita las cámaras de impulsión (4) exteriormente con su superficie de cubierta interior (3a), así como una cámara de aspiración (5) para el medio a aspirar y una cámara de presión (6), que aloja el medio transportado a través de los husillos roscados (1, 2), estando introducida la carcasa de la bomba (3) en una carcasa de presión (7) y fijada a la carcasa de presión (7), con lo que la cámara de presión (6) rodea, al menos parcialmente, la carcasa de la bomba (3), caracterizada porque ambos husillos roscados (1, 2) están apoyados con un apoyo exterior y en la cámara de presión (6) están previstos equipos separadores para separar una mezcla multifase transportada en una fase de gas y una fase de líquido y porque está prevista una tubería de cortocircuito (13) desde la cámara de presión

(6) hasta la cámara de aspiración (5), a través de la que se conduce de retorno el líquido separado hasta la cámara de aspiración (5).

2.

Bomba helicoidal de husillos según la reivindicación 1, caracterizada porque la carcasa de la bomba (3) atraviesa la carcasa de presión (7).

3.

Bomba helicoidal de husillos según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque la carcasa de la bomba (3) está fijada, en particular atornillada, por un lado a la carcasa de presión (7).

4.

Bomba helicoidal de husillos según la reivindicación 3, caracterizada porque la carcasa de la bomba (3) está

fijada mediante una placa de soporte a la carcasa de presión (7).

5.

Bomba helicoidal de husillos según la reivindicación 3 o 4, caracterizada porque el extremo (30) no fijado a la carcasa de presión (7) de la carcasa de la bomba (3) está apoyado con un determinado juego en una guía (17) en la carcasa de presión (7) y la carcasa de la bomba

(3) está impermeabilizada mediante una junta (27) respecto a la carcasa de presión (7).

6.

Bomba helicoidal de husillos según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque los husillos roscados (1, 2) están apoyados en una unidad de apoyo (9) que está unida con la carcasa de la bomba (3).

7.

Bomba helicoidal de husillos según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la unidad de apoyo (9) está fijada, en particular atornillada, a una placa de soporte (8).

8.

Bomba helicoidal de husillos según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque los husillos roscados (1, 2), la carcasa de la bomba (3) y una unidad de apoyo (9) de los husillos roscados (1, 2) están reunidos para formar un módulo de transporte.

9.

Bomba helicoidal de husillos según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la tubería de cortocircuito (13) está configurada en la carcasa de la bomba (3).

10.

Bomba helicoidal de husillos según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la carcasa de la bomba (3) está dispuesta excéntrica en la carcasa de presión (7)

11.

Bomba helicoidal de husillos según una de las reivindicaciones precedentes,

caracterizada porque en la carcasa de presión (7) están dispuestos tirantes de tracción (42) para pretensar la carcasa de presión (7) frente al apoyo del husillo roscado (9).

5 12. Bomba helicoidal de husillos según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque en la carcasa de la bomba (3) está configurada la cámara de aspiración (5).

13. Bomba helicoidal de husillos según una de las

10 reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la carcasa de la bomba (3) forma una parte de la pared de la cámara de presión (6).

14. Bomba helicoidal de husillos según una de las reivindicaciones precedentes,

15 caracterizada porque los equipos de conexión (14) para tuberías de entrada y tuberías de salida están configurados en la carcasa de presión (7).